Гелиевая вспышка. Экзотика в недрах звёзд

гелиевая вспышка и человек

Сегодня мы поговорим о явлении, которое астрофизики называют «гелиевая вспышка». Да, это звучит довольно опасно, и на самом деле так оно и есть. Но не волнуйтесь: никто из нас не подвергается риску стать жертвой этого грозного природного явления. Потому что никто и никогда не сможет оказаться в тех местах, где оно происходит. Поскольку что речь идёт о процессе, который происходит глубоко внутри звёзд.

И прежде, чем мы перейдём непосредственно к гелиевой вспышке, давайте вспомним, что именно происходит внутри стандартной звезды. А происходит там, друзья мои, как вы все конечно же знаете, термоядерный синтез. Внутри звезды водород превращается в гелий, и высвободившаяся энергия излучается наружу.

Синтез внутри звёзд

Для того чтобы синтез состоялся, нужна очень и очень высокая температура. Обычно подобный процесс происходит только в самых внутренних областях звезды, и поэтому водород, который при этом «сжигается», расходуется постепенно. Но даже если звезда очень большая, он со временем заканчивается. И когда звезда достигает определённого возраста, количество радиации, которую она производит в результате процесса, происходящего в её ядре, тоже начинает уменьшается.

И звезда начинает терять стабильность. Поскольку до тех пор излучение противодействовало гравитационной силе, создаваемой большим количеством газа. А ведь она запросто может вызвать коллапс звезды. Но когда водород начинает заканчиваться, процессы синтеза становятся менее эффективными, и звезда начинает понемногу сжиматься. Её внутренняя часть становится более плотной, а это означает, что водород в еще неиспользуемых слоях вокруг ядра разогревается, и получает возможность «плавиться».

Если говорить более простыми словами, теперь можно представить звезду такой: её ядро почти полностью состоит из гелия, но это мало что даёт, потому что температура ядра достаточно высока только для «сгорания» водорода, которого уже нет, или осталось совсем немного. И условия там пока такие, что «сжигать» атомы гелия нет ну никакой возможности. Гелиевое ядро при этом ​​окружают слои водорода, который продолжает «плавится» и производит много нового гелия.

Полное вырождение

Этот гелий потом просто «лежит» и ничего не делает. За исключением, конечно, того, что происходит процесс увеличения плотности гелиевого ядра. Дело в том, что пока из ядра не исходит излучение, генерируемое термоядерным синтезом, ему (ядру) некуда деваться, и оно просто вынуждено сжиматься под собственным весом.

И в какой-то момент происходит нечто особенное: ядро «​​вырождается». Это слово звучит довольно странно, да. Но термин «вырождение» действительно используется в квантовой механике. В основном речь идёт здесь о так называемом «принципе Паули». Если говорить очень упрощённо, то в нём постулируется, что две частицы, например два электрона, никогда не могут иметь одинаковое квантовое состояние. Квантовое состояние определяется так называемыми квантовыми числами, но это тоже не очень просто, поэтому скажу немного другими словами: по сути, речь идёт об энергии, которую могут иметь частицы. И это зависит, например, от того, где именно расположены электроны в оболочке атома.

На практике все это означает следующее: поскольку плотность ядра гелия продолжает увеличиваться, частицы все сильнее «прижимаются» друг к другу. Одно из основных открытий квантовой механики заключается в том, что частицы, такие как электроны, не могут просто иметь «какое-либо» произвольное состояние. И что такие свойства, как энергия, которую они могут иметь, квантованы.

В частности, существует самое низкое возможное энергетическое состояние, и ничто не может иметь энергию ниже этого состояния. Если материя в ядре будет сжиматься все дальше и дальше, то частицы в конечном итоге будут упакованы настолько близко друг к другу, что все доступные энергетические уровни будут заняты.

Если упростить ещё больше, то это означает, что дальше «сжиматься» уже просто некуда. Уплотнить жителей коммунальной квартиры больше не получится, поскольку все койки, которые можно в ней разместить, заняты. В три яруса.

Такое положение дел создаёт экзотический тип давления, называемый «давлением вырождения». Это давление противодействует гравитационной силе, но не зависит или почти не зависит от последней.

Гелиевая вспышка

Если продолжать ​​сжимать ядро ещё сильнее, это мало повлияет на кинетическую энергию частиц. Потому что доступных энергетических состояний больше нет. Частицы уже достигли максимально возможных энергетических уровней (и заняли все те, что ниже них). Увеличение энергии не меняет плотность.

Всё. Вырожденное вещество в ядре гелия больше не расширяется при повышении температуры. Таким образом, ядро звезды ​​остаётся стабильным, а поскольку новый гелий продолжает поступать извне, его температура продолжает расти. Но бесконечно это продолжаться не может. И в какой-то момент она достигает около 100 миллионов градусов. Ситуация накаляется. Жильцы всё прибывают и прибывают, и новые уже вынуждены спать стоя, и вот ситуация выходит из-под контроля… и…

Происходит гелиевая вспышка.

Однако наши возмущённые жители не начинают метелить друг друга палками почём зря и кидать в друг друга тряпками. Скорее совсем наоборот. Они начинают сливаться друг с другом в порыве огненной страсти при температуре более 100 миллионов градусов!

И температура в ядре, из-за начала этого процесса, внезапно начинает резко возрастать, но, как я объяснял ранее, это не меняет его плотность. И чем выше температура, тем эффективнее плавится гелий.

Таким образом, как говорят схемотехники и прочие радиоэлектронщики, возникает процесс с положительной обратной связью: синтез гелия увеличивает температуру, а повышение температуры увеличивает синтез гелия. И так далее. А поскольку ядерная материя все еще вырождается и не меняет своего объёма, никакое противодавление создаться не может. Она не может расширяться, остывать и тем самым стабилизировать процесс.

В результате возникновения подобных условий огромное количество радиации высвобождается в ядре звезды за чрезвычайно короткое время. Колоссальное количество гелия «сгорает» в ходе этого процесса. А огромное количество выделившейся радиации достоверно гарантирует, что выродившаяся материя снова станет «нормальной».

Все заканчивается через несколько минут или максимум часов. Нет, это не вся фаза синтеза гелия. Она, конечно же, занимает гораздо больше времени. И, по сути, после вспышки только начнётся. Ведь только после неё звезда сможет контролируемым образом синтезировать оставшийся у неё гелий (и то, что образуется в результате синтеза водорода во внешних слоях). Только теперь появляется баланс между гравитационной силой и давлением проникающего наружу излучения.

Никто, ничего, никогда

Но наверняка вы хотите знать, как именно выглядит гелиевая вспышка, неправда ли? К сожалению, никак. На самом деле не спешите брать билеты для полёта к ближайшей звезде, где намечается гелиевая вспышка. Потому что вы ничего не увидите. Почти вся энергия израсходуется на расширение ядра после устранения состояния вырождения, а оставшаяся энергия поглотится внешними слоями звезды. Так что снаружи на самом деле ничего не произойдёт.

Однако науке известно, что такие вспышки должны происходить, потому что именно такой вывод следует непосредственно из свойств звёзд и квантово-механических свойств материи.

Наука также знает, что гелиевая вспышка – прерогатива только небольших звёзд. Тяжёлые звезды имеют достаточную массу, чтобы достичь температуры в их ядре, необходимой для синтеза гелия, без необходимости вырождения материи.

Там термоядерный синтез гелия начинается просто, без всякого рода экзотических фокусов.

В отношении способности к гелиевым вспышкам звёзды можно разделить на два типа: те, у которых недостаточно массы для того, чтобы разогреться для начала «сжигания» гелия напрямую, и все остальные. Учёные подсчитали, что гелиевая вспышка возникнет только в том случае, если масса звезды не больше чем в два с половиной раза превышает массу Солнца. Если превышает – всё происходит по-простому, без пафоса.

Всем добра.

Живой Космос
Оставьте комментарий!